数模和模数转换器m

第7单元数/模和模/数转换器7.1数/模转换器（DAC）7.2模/数转换器（ADC）当前1页，总共53页。学习目的与要求了解模/数电路的组成及电路特点数/模电路的组成及电路特点熟悉数/模转换的基本概念模/数转换的基本概念常用A/D和D/A转换器的技术指标编码规则采样定理掌握当前2页，总共53页。数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称D/A转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器，简称A/D转换器。传感器ADC数字计算机DAC模拟控制控制对象数字信号模拟信号7.1数/模转换器DAC当前3页，总共53页。

数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。7.1.1DAC的基本概念和结构组成

构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。1、DAC的基本概念当前4页，总共53页。2、DAC的结构组成DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。数字量输入模拟量输出DAC组成框图基准电压数据锁存器电子开关电阻网络求和放大图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。当前5页，总共53页。7.1.2DAC的功能如上图所示，DAC的n位数字输入量，以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中；数码寄存器输出的各位二进制代码分别控制对应各位的模拟电子开关，使数码为１的位在位权网络上产生与其权值成正比的电压（或电流）量，再由求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数字量成正比的模拟量。

当前6页，总共53页。对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2…21、20等，其大小可表示为：DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：电流转换系数电压转换系数7.1.3DAC的转换特性当前7页，总共53页。01234567001010011100101110111u0/VD000当Ru（或Ri）为1、n＝３时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：模拟输出理想特性数字输入DAC的转换特性曲线当前8页，总共53页。7.1.4DAC的主要技术指标1、分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0

)与最大输出电压(此时输入的数字代码所有各位全是1

)之比。一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：

从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。当前9页，总共53页。2、绝对精度(或绝对误差)和非线性度

绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。

在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。3、建立时间

指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量±uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。

除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。当前10页，总共53页。7.1.5DAC的转换原理1、权电阻网络DACRFXn-1Xn-2X2X1X0∞-++·····URSn-1Sn-2S2S1S0模拟电子开关u0集成运放20

R21

R2n-2

R2n-1

R2n-0

R权电阻，从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。反馈网络n位二进制数字输入当前11页，总共53页。u0RFX3X2X1X0∞-++URS3S2S1S020

R21

R22

R23

RI1I31010

当输入的数字信号为1010时，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1”的开关接到位置1上；将基准电压UR经电阻引起的电流通入运放的反相输入端，即流入求和电路；相应数字量为“0”的权电阻由开关S直接到“地”。权电阻网络DAC工作原理IF当前12页，总共53页。u0RFX3X2X1X0∞-++URS3S2S1S020

R21

R22

R23

RI1I31010IF若RF=5KΩ，R=80KΩ时当前13页，总共53页。u0RFX3X2X1X0∞-++URS3S2S1S020

R21

R22

R23

RI1I31011IF仍有RF=5KΩ，R=80KΩI0当前14页，总共53页。u0RFX3X2X1X0∞-++URS3S2S1S020

R21

R22

R23

RI2I31100IF仍有RF=5KΩ，R=80KΩ

显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。当前15页，总共53页。2、R-2R倒T形电阻网络D/A转换器倒T形电阻网络的电阻均为R和2R∞-++RFUR2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2结点B结点C结点D结点EXn-1Xn-2X2X1X0u0模拟电子开关n位二进制数字输入基准电压当前16页，总共53页。∞-++RFUR2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S1S0S2结点B结点C结点D结点EXn-1Xn-2X2X1X0u0输出电压：当R=RF时，输出电压：当前17页，总共53页。7.1.6集成D/A转换器

DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。片选信号输入端CSWR1XFERWR2UCCILEDGNDIO1AGNDIO2D1D0D3D2URRFD6D7D4D5输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号2基准电源输入端反馈电阻D为数字量输入端电流输出端1和2电源5～15V输入端模拟“地”数字“地”当前18页，总共53页。

当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。DAC0832中无运算放大器，且为电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了RF，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。DAC0832内部结构原理图XFER4~7D/A转换器G1G2G313~1619121718D7~D4D3~D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2输入寄存器DAC寄存器当前19页，总共53页。检验学习结果什么是DAC的绝对精度、非线性及转换速度？DAC电路转换特性的含义是什么？请写出其表达式。DAC电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：已知某DAC电路的最小分辨电压为40mV，最大满刻度输出电压为10.2V,试求该电路输入二进制数字量的位数n=？.因为：=所以：将已知数据代入公式可求得n=8。uLSBum12n-1

绝对精度是指输入端给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间。当前20页，总共53页。

R-2R倒T形电阻网络流过各支路的电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，而且R-2R倒T型电阻网络DAC转换器中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。R-2R倒T型电阻网络具有哪些特点？

DAC0832数模转换器是采用什么制造工艺？DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。检验学习结果学习中一定要勤于思索主动练习，才能掌握已学知识。当前21页，总共53页。7.2模数转换器ADC7.2.1A/D的基本概念与转换原理ADC是将模拟量转换为数字量的电路，广泛应用于计算机实时控制系统中。利用计算机及时搜集检测数据，按最佳值对控制对象进行自动调节或自动控制。例如，热水器温度计算机实时控制系统，用一个测温器测定热水器的水温，通过ADC将所测温度的信号转换为数字信号送到计算机中，和所测温度值比较后产生一个误差信号。控制器根据误差信号大小，按一定规则决定蒸汽阀门的开闭程度并产生相应信号，再经过DAC还原成模拟量，驱动控制设备开大或关小蒸汽阀门。1、ADC的基本概念当前22页，总共53页。1、ADC的基本概念综上所述可知，实用中的模数转换器ADC用来将所测得的被控制对象的某种连续物理量转换成为离散的数字量，而数模转换器DAC则将离散的数字量再转换成为连续的模拟量，控制被控制对象动作。归纳：ADC转换电路的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，在模/数转换过程中，只能在一系列选定的瞬间对输入模拟量采样后再转换为输出的数字量，通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。当前23页，总共53页。2、ADC的转换原理采样保持电路输入模拟电压uiCP采样保持电路SADC电子开关S受CP控制采样过程是通过模拟电子开关S实现的。模拟电子开关每隔一定的时间间隔闭合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关时，就会转换成若干个离散的脉冲信号。

采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。所以采样又称为波形的离散化过程。

取样展宽信号ui′当前24页，总共53页。输入模拟电压uiCP采样保持电路取样展宽信号ui′SADC...Dn-1D1D0ADC的量化编码电路通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。

量化编码就是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将这些离散信号用对应量化电平的一组二进制代码表示。

N位数字量输出当前25页，总共53页。uiu0CPSADC采样保持电路CP＝1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。采样定理：

输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率为fs，如果fs>2fmax，则可以无失真地复现输入信号。CP＝0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP＝1信号到来，再对新的电压信号进行采样…直到采集到如图所示的幅值有限的离散信号。当前26页，总共53页。ui采样电路的输入信号波形采样电路的离散输出波形tu采样间隔时间采样保持时间为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。

当前27页，总共53页。量化：在进行A/D转换时，将采样－保持电路的离散输出模拟电压化为一系列的某个最小数量单位δ的整数倍，这一转化过程称为“量化”。量化就是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，量化过程中所取的最小数量单位称为量化当量δ。δ是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。2、量化编码电路一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。当前28页，总共53页。编码：用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。2、量化编码电路量化的方法常采用两种近似量化方式：舍尾取整法和四舍五入法。（1）舍尾取整法以3位ADC为例，设输入信号ui(t)的变化范围为0～8V，采用舍尾取整法量化方式时，若取δ=1V，则量化中不足量化单位部分统统舍弃，如0～1V之间的小数部分的模拟电压都当作0δ，用二进制数000表示；数值在1～2V之间的小数部分也舍弃，对应的模拟电压当作1δ，用二进制数001表示，……这种量化方式的最大误差为δ。（2）四舍五入法采用四舍五入量化方式时，若取量化单位δ=8/15V，量化过程将不足半个量化单位的部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。即将数值在0～8/15V之间的模拟电压都当作0δ对待，用二进制000表示……。当前29页，总共53页。

实际中采样值量化的方法通常采用四舍五入法。当最小量化间隔为S时，若采样电压的尾数不足S/2，则舍尾取整得其量化值；若采样电压的尾数等于或大于S/2，则四舍五入，在原整数上加1。已知S＝1V，若采样电压等于2.1V时，量化电压等于2V；若采样电压等于2.5V时，量化电压等于3V。舍尾取整法四舍五入法不论何种量化方式，量化过程中必然存在被测输入量与量化值之间的误差。若要减小ε，就应在测量范围内减小量化间隔S，即增加数字量X的位数和模拟电压的最大值um。四舍五入量化方式的量化当量按下式选取：当前30页，总共53页。将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。方法一：取ε＝1/8V，01/8V的电压以0×ε表示，则模拟电压0V1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V1V二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平0ε→0V

1ε→1/8V12ε→2/8V3ε→3/8V4ε→4/8V5ε→5/8V6ε→6/8V7ε→7/8V可见，量化误差最大达ε=1/8V。当前31页，总共53页。方法二：取ε＝2/15V，01/15V的电压以0×ε表示，则0→0V

1→2/15V2→4/15V3→6/15V4→8/15V5→10/15V6→12/15V7→14/15V将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。0V1/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V13/15V1V模拟电压二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平可见，量化误差最大达ε/2=1/15V。（比上例量化误差小）当前32页，总共53页。分辨率通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。

指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。

指ADC转换后所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。如相对精度不大于ULSB/2时，说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过ULSB/2。

7.2.2ADC的主要技术指标转换速度相对精度当前33页，总共53页。7.2.3逐次比较型ADC结构组成及转换原理逐次渐近寄存器读出“与”门逻辑控制门电压比较器四位DACQFF3SRQSRQSRd0++UiCPd1d2E≥1≥1QSRFF2FF1FF0≥1UAd3五位顺序脉冲发生器Q4Q3Q2Q1Q0d0d1d2d3当前34页，总共53页。逐次比较型ADC是集成ADC芯片中使用较多的一种，它通过对输入量的多次比较，最终得到输入模拟电压量化编码的输出。当ui≥uF时，比较器输出0，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位置“1”；当ui≤uF时，比较器输出“1”，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置“1”。寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，进行第二次比较，并将比较结果送入逻辑控制器，送入“0”时保留寄存器中高两位的值，并将第三位置“1”，若送入1保留最高位，次高位置“0”，第三位置“1”，寄存器内数据经DAC电路后输出反馈信号到比较器，……经过逐次比较，直至得到寄存器中最低位的比较结果。比较完毕，寄存器中的状态(即产生的数码)就是所要求的ADC输出的数字量。工作原理当前35页，总共53页。双积分型ADC的基本原理是对输入模拟电压ui和参考电压各进行一次积分，先将模拟电压ui转换成与其大小相对应的时间间隔T，再在此时间间隔内用计数率不变的计数器进行计数，计数器所计下的数字量正比于输入的模拟电压ui。度较慢，但是它的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合，常使用双积分型ADC。双积分型ADC的转换速7.2.4双积分型ADC的结构组成及转换原理－URuiS1RS2CUo积分器0比较器CP数字量输出_++A1_++A2逻辑控制器n位计数器当前36页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR双积分型ADC在积分前，计数器应先清零，然后闭合电子开关S2，随后再把S2打开，把电容C上储存的电荷电压释放掉。时钟脉冲源采用标准周期，作为测量时间间隔的标准时间。当前37页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR在采样阶段，开关S1与被测电压接通，S2打开。被测电压被送入积分器进行积分，积分器输出电压小于0，比较器输出高电平1，逻辑控制器控制计数器开始计数，对被测电压的积分持续到计数器由全1变为全0的瞬间。当前38页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR当计数器为n位时，计数时间T1=2nTC(TC是时钟脉冲的周期)。这时积分器的输出电压为：当前39页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR当计数器由全1变为全0时，进入比较阶段，控制器使S1与参考电压－UR相接，这时积分器对－UR反向积分，电压u0逐渐上升，计数器又从0开始计数。当积分器积分至u0=0时，比较器输出低电平0，控制器封锁CP脉冲，使计数器停止计数。

当前40页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR若计数器的输出数码为D，此时积分器的输出电压与计数器的输出数码之间的关系为：

当前41页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR此时T2=D·TC，所以：显然，计数器输出的数码与被测电压成正比，可以用来表示模拟量的采样值。当前42页，总共53页。(1)结构组成

n位二进制计数器开关控制电路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器过零比较器uG∞-++u02u01∞++-+ui-UR双积分型ADC的转换精度很高，但转换速度较慢，不适合高速应用场合。但是双积分型ADC的电路不复杂，在数字万用表等对速度要求不高的场合下，仍然得到了较为广泛的使用。当前43页，总共53页。7.2.2并行比较型A/D转换器(1)并行比较型ADC方框图输出数字量经DAC转换后产生相应的模拟电压uF，送到比较器中与输入信号ui进行比较，ui大时比较器输出“1”，否则为“0”。CP输出数字量模拟信号输入电压比较器基准电压逐次逼近寄存器D/A

转换器逻辑控制器数码寄存器uF反馈电压转换开始前寄存器清零。转换后，在CP作用下，逻辑控制器首先使寄存器中最高有效位置“1”。当前44页，总共53页。7.2.5集成ADC080912345678910111213142827262524232221201918171615ADC0809左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：IN0~IN7为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。ADDA、ADDB、ADDC是模拟信道的地址选择。CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0~D7是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。当前45页，总共53页。ADC0809集成电路结构组成图当前46页，总共53页。

集成ADC0809芯片内部包括模拟多路转换开关和A/D转换两大部分。模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存器与译码器组成，地址锁存器允许信号ALE将三位地址信号ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通其中一路摸信号加到A/D转换部分进行转换。A/D转换部分包括比较器、逐次逼近寄存器SAR、256R电阻网络、树状电子开关、控制与时序电路等，另外具有三态输出锁存缓冲器，其输出数据线可直接连CPU的数据总线。12345678910111213142827262524232221201918171615ADC0809当前47页，总共53页。ADC0809通过IN0~IN7可输入八路单端模拟电压。ALE将三位地址线ADDC、ADDB和ADDA进行锁存，然后由译码电路选通八路模拟输入中的某一路进行A/D转换。ADC0809内部由树状开关和256R电阻网络构成8位D/A转换器，输入为逐次近似寄存器SAR的8位二进制数据，输出为UST，变换器的参考电压为UR(+)和UR(-)。比较前，SAR全0，变换开始，先使SAR的最高位为1